ITMI961527A1 - Processo per la produzione accelerata di biogas - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale alla produzione di biogas da parte di microorganismi metanigeni.

In particolare l’invenzione riguarda un processo per la produzione di metano in bioreattori anaerobici che utilizza fanghi aerobici residui da impianti di depurazione quale fonte di materie prime convertibili in biogas.

E’ noto che è possibile produrre metano a partire da fanghi di biomassa mediante digestione anaerobica in presenza di popolazioni miste di microorganismi anaerobi.

La suddetta digestione anaerobica comprende innanzitutto la trasformazione di molecole organiche complesse in molecole a peso molecolare inferiore e solubili, in particolare acidi carbossilici, da parte dei batteri acidogeni presenti nel digestore, e poi la conversione di tali molecole in un biogas, costituito principalmente da metano e anidride carbonica, ad opera di microorganismi metanigeni.

Le molecole organiche trasformate dai batteri acidogeni e poi da quelli metanigeni provengono generalmente da fanghi aerobici che vengono alimentati nei bioreattori o digestori anaerobici.

I suddetti fanghi aerobici costituiscono a loro volta un sottoprodotto degli impianti di depurazione biologica per lo smaltimento di rifiuti inquinanti, quali gli scarti di municipalità acque residue di processi industriali, i residui di allevamenti intensivi ecc, e sono comunemente denominati fanghi secondari.

La possibilità di utilizzare tali fanghi aerobici secondari per la produzione di biogas rappresenta anche una soluzione al problema dell’accumulo dei fanghi secondari degli impianti di depurazione.

Infatti le altre soluzioni proposte, ovvero la combustione in forni inceneritori e la raccolta in discariche controllate, oltre ad essere costose, non comportano alcun recupero della risorsa potenziale costituita dai microorganismi presenti nei fanghi.

I processi noti per la produzione di biogas, basati sull’alimentazione di digestori anaerobici con fanghi secondari, presentano tuttavia l’inconveniente di richiedere un tempo alquanto lungo, di solito un paio di settimane, per funzionare a pieno regime.

Inoltre, seguendo i processi noti è impossibile, o per lo meno difficilmente praticabile, l’alimentazione dei digestori anaerobici con fanghi secondari anaerobici, per la possibile competizione dei microorganismi contenuti nei fanghi secondari con i microorganismi acidogeni e metanigeni di inseminazione del digestore.

Il problema alla base della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un processo per lo produzione di biogas in digestori anaerobici che consenta l’utilizzo di fanghi secondari sia aerobici sia anaerobici e che permetta di ridurre sensibilmente il lungo tempo di latenza che gli attuali processi presentano prima di giungere alla piena produzione di biogas.

Un tale problema è risolto, secondo l’invenzione, da un processo per la produzione di biogas in digestori anaerobici alimentati con fanghi secondari aerobici o anaerobici, caratterizzato dal fatto che i suddetti fanghi secondari, prima di essere alimentati nei digestori, vengono sottoposti a termolisi ad una temperatura di 50-75 'C, preferibilmente a 70 °C.

Preferibilmente la termolisi è condotta sottoponendo i fanghi secondari ad un riscaldamento rapido, che porta la temperatura della massa dei fanghi a circa 70 ’C in 30 minuti e mantenendo eventualmente alla stessa temperatura per un tempo massimo di 180 minuti.

Il processo di termolisi sopra menzionato può essere attuato in qualunque apparecchiatura idonea a riscaldare materiali fluidi in maniera omogenea e in grado di fornire il suddetto riscaldamento rapido.

Nel caso in cui si utilizzino fanghi aerobici, la termolisi vien condotta insufflando aria con una portata di 2,5-3,5 VVM, preferibilmente 3 VVM.

L’insufflazione d’aria non è invece necessaria nel caso in cui vengano impiegati fanghi anaerobici.

La fase di riscaldamento eseguita sui fanghi secondari ha lo scopo di indurre l’autolisi delle cellule dei microorganismi contenuti nei fanghi e, di conseguenza, liberarne il contenuto proteico, in modo da renderlo prontamente disponibile ed assimilabile per i microorganismi dei fanghi anaerobici del digestore.

In virtù di questa pronta assimilazione di materiale nutritivo da parte dei microorganismi acidogeni e metanigeni del digestore anaerobico, il tempo di latenza caratteristico dei processi noti per la produzione di biogas viene notevolmente ridotto, cosicché la produzione di biogas risulta massima già dopo 3 giorni dall’inizio dell’alimentazione.

Inoltre risultano aumentate le rese di biogas rispetto ai processi tradizionali ed anche il contenuto percentuale di metano all’interno del biogas risulta incrementato.

Infine, il processo secondo la presente invenzione presenta il grande vantaggio di consentire l’utilizzo di fanghi secondari anaerobici per l’alimentazione dei digestori anaerobici senza comportare problemi di competizione con i microorganismi anaerobi acidogeni e metanigeni costituenti i fanghi dei digestori.

L’alimentazione dei digestori anaerobici con fanghi termolisati può essere integrata dall’aggiunta, entro certi limiti percentuali, di diverse fonti di carbonio, quali ad esempio residui mercatali, cascami dell’industria conserviera, in particolare quella della trasformazione del pomodoro, idrolisati proteici derivati da scarti di lavorazione dell'industria conciaria (il cosiddetto "carniccio"), rifiuti dell’industria zootecnica e agroindustriale, quali ad esempio le deiezioni suine, ed altri materiali organici.

I suddetti materiali organici di scarto vengono, di preferenza addizionati ai fanghi termolisati in quantità tale che il rapporto SSV materiali organici di scarto/SSV fanghi sia inferiore o uguale a 0,3.

Ulteriori vantaggi del processo secondo l’invenzione risulteranno con maggiore evidenza da alcuni esempi forniti qui di seguito a titolo illustrativo e non limitativo.

ESEMPIO 1

Per valutare l'efficacia del processo autolitico determinato nelle cellule dei microorganismi contenuti nei fanghi secondari dal trattamento termico previsto nel processo secondo l'invenzione, si prelevarono 3 campioni di fanghi secondari aerobici.

Ciascun campione fu introdotto in un contenitore in acciaio inox del volume di 5 litri, munito di camicia riscaldante contenente olio diatermico riscaldato mediante una resistenza elettrica.

Il contenitore era altresì provvisto di un agitatore rotativo a pale, che era posto in rotazione ad una velocità di 220 giri/ minuto.

Ciascun campione fu portato ad una temperatura di 70 °C in 30 minuti, sotto agitazione e con insufflazione d’aria (3 VVM), dopodiché fu mantenuto a 70 °C per 120 minuti.

Per ciascun campione fu determinato il numero di cellule per ml a vari tempi, e precisamente prima del trattamento termico (campione tal quale), al momento del raggiungimento della temperatura di 70 ’C e dopo 30’, 60’ e 120’di mantenimento di tale temperatura.

Come si può notare dalla Tabella 1 riportata qui di seguito il numero di cellule per ml di fango subisce una consistente diminuzione già al raggiungimento dei 70 °C e decresce progressivamente col perdurare del trattamento termico.

TABELLA 1

t.q. Fango prima del trattamento di autolisi t = 0 Prelievo al raggiungimento dei 70 °C

t = 30 Prelievo dopo 30' dal raggiungimento dei 70 °C t = 60 Prelievo dopo 60’ dal raggiungimento dei 70 °C t = 120 Prelievo dopo 120' dal raggiungimento dei 70 °C Nella Tabella 1 sono riportati anche i valori del contenuto di proteine della parte non cellulare dei fanghi. Tale contenuto è stato determinato prelevando aliquote di 20 mi di ciascun campione agli stessi tempi ai quali è stato effettuato il conteggio delle cellule.

Ciascuna aliquota veniva centrifugata a 5000 x g ed il surnatante veniva filtrato su carta bibula; sul filtrato così ottenuto venne determinato il contenuto proteico secondo il metodo di Lowry, O.H. et al., (1951) Journal of Biological Chemistry 193, 265-275.

Dalla Tabella 1 si deduce agevolmente che già al momento del raggiungimento della temperatura di 70 °C la concentrazione proteica della frazione acellulare del fango era più che decuplicata rispetto

a quella iniziale.

Protraendo il riscaldamento a 70 °C si otteneva un ulteriore incremento della concentrazione proteica, che raggiungeva un massimo dopo 120’; un ulteriore riscaldamento non determinava alcun ulteriore incremento apprezzabile.

ESEMPIO 2

Il procedimento di autolisi cellulare indotto termicamente sui microorganismi dei fanghi aerobici dell’esempio precedente fu riprodotto esattamente {salvo l’omissione dell’insufflamento d’aria) anche su due campioni di fanghi anaerobici (campioni 4 e 5), ottenendo i risultati riportati nella seguente Tabella 2.

TABELLA 2

t.q. Fango prima del trattamento di autolisi

t = 0 Prelievo al raggiungimento dei 70 "C

t = 30 Prelievo dopo 30’ dal raggiungimento dei 70 °C t = 60 Prelievo dopo 60' dal raggiungimento dei 70 °C t = 120 Prelievo dopo 120’ dal raggiungimento dei 70 °C

Anche in questo caso si nota il notevole incremento del contenuto proteico della frazione acellulare del fango già al momento in cui è stata raggiunta la temperatura di 70 °C.

Analogamente a quanto osservato con i fanghi aerobici dell'esempio precedente, il contenuto proteico non aumentava apprezzabilmente protraendo il riscaldamento al di là dei 120°.

ESEMPIO 3

Il procedimento descritto nell’esempio 1 fu ripetuto su scala maggiore con altri due fanghi aerobici (A e B), utilizzando un preriscaldatore della capacità di 100 litri, munito alla base di una resistenza a serpentina.

I fanghi A e B avevano un SST pari a, rispettivamente, 19800 e 25515 mg/1 ed un SSV pari a, rispettivamente, 11940 e 16333, con un rapporto SSV/SST% di 60,3 per A e di 64 per B.

Anche in questo caso, la temperatura del fango fu portata a 70 °C in 30° e mantenuta a tale temperatura per 180’.

La determinazione del contenuto proteico della frazione acellulare del fango fornì i risultati presentati nella Tabella 3, riportata qui di seguito.

TABELLA 3

t.q. Fango prima della termolisi

t = 0 Raggiungimento dei 70 °C

t = 30’ 30' dopo t = 0

t = 60’ 60’ dopo t = 0

t = 120’ 120’ dopo t = 0

t = 180’ 180' dopo t = 0

In questo caso, il contenuto proteico mostrò ancora un

apprezzabile incremento fra i 120’ ed i 180’.

ESEMPIO 4

I fanghi aerobici A e B termolisati ottenuti secondo l’esempio

3 furono utilizzati per l’alimentazione di un digestore anaerobico,

i cui fanghi presentavano le seguenti caratteristiche:

- pH: 7,24

- potenziale redox (mVolt): -218

- alcalinità (g/l CaCO3): 4,360

- acidi volatili (g/l CH3COOH): 1,292

- S.S.T. (g/1): 34,125

- S.S.V. (g/1): 16,950

- S.S.V./S.S.T.: 49,6%

Il digestore anaerobico era costituito da un impianto pilota avente un volume di lavoro di 1 m , dotato di pompa di riciclo temporizzata, a forma di cono rovesciato. Alla base del digestore era presente un contenitore riempito di olio diatermico, il quale, riscaldato da resistenze termostatiche, portava alla temperatura programmata (33 “C ) la sospensione della biomassa. La temperatura era controllata in continuo da una sonda, mentre la pressione era monitorizzata con un manometro inserito lungo la tubazione conducente il biogas al contatore. Una guardia idraulica conferiva al sistema una pressione che raggiungeva i 300 mmHg.

I fanghi termolisati A e B vennero alimentati nel suddetto digestore in maniera discontinua, una volta al giorno, in quantità pari a 100 1, per un periodo di 7 giorni.

Il processo di digestione anaerobica venne controllato misurando quotidianamente il Ph, l’alcalinità (mg/1 di CaCO3), il potenziale redox (mV), gli acidi volatili, le sostanze solide totali (SST) e le sostanze solide volatili (SSV).

Lo stesso digestore anaerobico fu poi alimentato con gli stessi fanghi aerobici A e B non sottoposti a termolisi ed il processo di formazione di biogas fu condotto nelle stesse condizioni più sopra riportate per i fanghi A e B termolisati.

Come si può notare dalla Tabella 4 riportata qui di seguito, la produzione di biogas, espressa in in di biogas/Kg SSV/die, risulta nettamente maggiore (fino ad oltre il doppio) nel caso in cui si utilizza il fango termolisato rispetto al caso in cui si impiega il fango tal quale.

TABELLA 4

Si può altresì notare che il contenuto percentuale di metano all'interno· del biogas è maggiore quando si utilizzano i fanghi termolisati.

ESEMPIO 5

L’esperimento dell’esempio 4 in cui era stato impiegato il fango B termolisato fu ripetuto utilizzando, in sostituzione del suddetto fango termolisato B, una miscela costituita da 90% di fango termolisato B e 10% di un prodotto ottenuto dalla spremitura di residui mercatali ed avente le seguenti caratteristiche: Ph 4, umidità 91,6%, SST 8,45%, SSV pari a 92% delle SST, ovvero 77,74 g/1.

Utilizzando la stessa apparecchiatura dell’esempio 4, le stesse condizioni sperimentali e la stessa procedura, si ottenne alla fine una produzione di biogas di 0,58 m /Kg SSV/die con un contenuto percentuale di metano all’interno del biogas pari a 61.

Come si può notare dall’esempio sopra riportato, il processo secondo la presente invenzione consente di utilizzare un’alimentazione mista per i digestori anaerobici, senza che ciò determini un peggioramento delle rese complessive di biogas prodotto e conservando nello stesso tempo il grande vantaggio del sensibile accorciamento del tempo di latenza nei confronti dei processi noti.

Si può ragionevolmente prevedere che, analogamente ai residui mercatali, qualunque materiale contenente sostanze organiche costituenti una potenziale fonte di carbonio utilizzabile da microorganismi anaerobi (oltre ad idrolisati proteici) può essere utilizzato, in combinazione con i fanghi termolisati secondo il presente processo, per l’alimentazione di digestori anaerobici e la produzione di biogas.

Questo rende proponibile e vantaggioso l’impiego del presente processo da parte di industrie che devono affrontare il problema dello smaltimento di sottoprodotti inquinanti o comunque non smaltibili in maniera convenzionale, quali ad esempio l’industria conciaria (idrolisati proteici da "carniccio", l’industria zootecnica (ad es, deiezioni suine) e l'industria alimentare conserviera.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Processo per la produzione di biogas in digestori anaerobici alimentati con fanghi secondari aerobici o anaerobici, caratterizzato dal fatto che detti fanghi secondari, prima di essere alimentati nei digestori, vengono sottoposti a termolisi ad una temperatura di 50-75 °C.
2. 2. Processo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta termolisi è condotta ad una temperatura di circa 70’C.
3. 3. Processo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta termolisi viene condotta portando detti fanghi ad<’ >una temperatura di circa 70 ° C in 30 minuti.
4. 4. Processo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detti fanghi sono mantenuti a circa 70 °C per un tempo massimo di 180 minuti.
5. 5. Processo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti fanghi secondari sono aerobici e durante detta termolisi vengono insufflati con aria in quantità pari a 2, 5-3, 5 VVM.
6. 6. Processo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detti fanghi secondari sottoposti a termolisi sono alimentati in detti digestori anaerobici insieme ad una quantità predeterminata di materiali organici di scarto.
7. 7. Processo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta quantità predeterminata di fanghi secondari, è tale che il rapporto SSV materiali organici di scarto/SSV fanghi sia inferiore o uguale a 0,3.
8. 8. Processo secondo una qualunque delle rivendicazioni 6 o 7, caratterizzato dal fatto che detti materiali organici di scarto sono scelti dal gruppo comprendente: scarti mercatali, cascami dell’industria conserviera, idrolisati proteici derivati da scarti di lavorazione dell'industria conciaria, rifiuti dell’industria zootecnica e agroindustriale.